德國(guó)潛艇用燃料電池進(jìn)展

張翔明

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

燃料電池最初就是為潛艇使用的數(shù)千瓦級(jí)能源而開發(fā)的。20世紀(jì)80年代初Simens公司開始研究質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作電源的AIP(不依賴空氣動(dòng)力裝置)潛艇。德國(guó)AIP技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟與完善，2003年4月試航了212A型U31潛艇，其為世界上第一艘現(xiàn)代化AIP質(zhì)子交換膜燃料電池潛艇。

PEMFC用作潛艇AIP推進(jìn)動(dòng)力源，與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（瑞典考庫(kù)姆公司開發(fā)的潛艇AIP動(dòng)力系統(tǒng)）、閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，除了效率高這一優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）向海水輻射的熱能少，紅外特征很??；（2）基本不向艇外排放廢物，尾流特征很??；（3）超安靜運(yùn)行，聲信號(hào)特征很低；（4）在攜帶相同質(zhì)量或體積的燃料和氧化劑時(shí)，續(xù)航能力最強(qiáng)，是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍。所以PEMFC潛艇隱形效果極好，潛艇的生存力與戰(zhàn)斗力得到極大的提高。

1 潛艇用質(zhì)子交換膜燃料電池原理及結(jié)構(gòu)

PEMFC作為一種使用氫氣和氧氣作為反應(yīng)物、反應(yīng)副產(chǎn)物只有水的發(fā)電裝置，膜電極將化學(xué)能的電化學(xué)元素轉(zhuǎn)化為電能。燃料(含氫、富氫)氣體和氧氣通過雙極板上的導(dǎo)氣通道分別到達(dá)電池的陽(yáng)極和陰極，反應(yīng)氣體通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)質(zhì)子交換膜。在膜的陽(yáng)極一側(cè)，氫氣在陽(yáng)極催化劑的作用下解離為氫離子(質(zhì)子)和帶負(fù)電的電子，氫離子以水合質(zhì)子H+(nH2O)的形式，在質(zhì)子交換膜中從一個(gè)磺酸基(-SO3H)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)磺酸基，最后到達(dá)陰極，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子導(dǎo)電。質(zhì)子的這種轉(zhuǎn)移導(dǎo)致陽(yáng)極出現(xiàn)帶負(fù)電的電子積累，從而變成一個(gè)帶負(fù)電的端子(負(fù)極)。陰極的氧分子與催化劑激發(fā)產(chǎn)生的電子發(fā)生反應(yīng)，變成氧離子，使陰極變成帶正電的端子(正極)，其結(jié)果在陽(yáng)極帶負(fù)電終端和陰極帶正電終端之間產(chǎn)生了一個(gè)電壓。如果此時(shí)通過外部電路將兩極相連，電子通過回路從陽(yáng)極流向陰極，從而產(chǎn)生電能。同時(shí)，氫離子與氧離子發(fā)生反應(yīng)生成水。與其他燃料電池相比較，這種PEM燃料電池不僅僅是安靜且無損耗而且還具有高效能，低廢熱排放和較低工作溫度的特點(diǎn)。

燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成與一般電池有很大差別。燃料電池的大小決定系統(tǒng)的輸出功率，與儲(chǔ)存能量多少無關(guān)；反應(yīng)物質(zhì)多少?zèng)Q定系統(tǒng)儲(chǔ)存能量，在一定的輸出功率下如果要增大儲(chǔ)存能量，只需增大反應(yīng)物質(zhì)及其存儲(chǔ)裝置，無須增大能量轉(zhuǎn)換裝置，即燃料電池。反應(yīng)物質(zhì)用完后，補(bǔ)充反應(yīng)物質(zhì)即可，無需更換燃料電池。系統(tǒng)配置靈活，便于安裝，燃料電池是由若干個(gè)電池單元串、并聯(lián)而成，可根據(jù)潛艇內(nèi)部布置的需要，靈活選擇燃料電池的配置方式；效率隨輸出功率變化特性較好，特別適合潛艇對(duì)于動(dòng)力裝置需要功率范圍寬而效率高的要求。

212A潛艇與214潛艇上的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)(FC-AIP)，在潛艇用AIP混合動(dòng)力中，其綜合性能上是最優(yōu)秀的。但燃料電池要解決的難題之一就是氫的儲(chǔ)存問題。由于氫氣屬于活潑氣體，易燃易爆，在空氣含量中超過4%，即有爆炸的威脅，嚴(yán)格控制艙室空氣中的氫含量，是潛艇大氣環(huán)境控制的重要任務(wù)。但是FC-AIP的燃料就是氫，這就必須解決艇上儲(chǔ)氫的安全問題。常規(guī)的罐裝液態(tài)氫，儲(chǔ)存方式簡(jiǎn)單成本低，但卻不適合裝艇，因?yàn)楫?dāng)受到魚雷、深彈的攻擊時(shí)，罐裝貯存的氣液態(tài)氫，在爆炸后產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)下，容易產(chǎn)生二次殉爆，導(dǎo)致更嚴(yán)重的次生事故發(fā)生。直到戴姆勒－奔馳公司研制出了貯氫合金后，F(xiàn)C-AIP上艇的最大難題終于被解決。

燃料電池在工作中需要添加輔助設(shè)備，燃料電池堆、控制閥、配管和傳感器形成燃料電池組件，相應(yīng)的組件控制燃料電池正常工作。輔助設(shè)備進(jìn)行H2、O2和N2的輸送、反應(yīng)物加濕、去除反應(yīng)生成物水、廢熱和多余氣體。燃料電池堆和輔助設(shè)備安裝在裝有3.0×105Pa的輸入氣體（N2）貯存箱中以避免H2和O2的泄漏。燃料電池可在不同的靜態(tài)負(fù)載電流下工作，30～40 kW組件和120 kW組件的電流分別低于650 A和560 A，并可連續(xù)工作。由于在高電流下產(chǎn)生的熱不能及時(shí)充分排除，所以高于標(biāo)稱電流的工作時(shí)間是限定的，對(duì)于每一個(gè)負(fù)載的電流都可以雙倍于標(biāo)稱電流短時(shí)間停留。

2 德國(guó)潛艇用質(zhì)子交換膜燃料電池的實(shí)例

2.1 加裝氫氧燃料電池AIP系統(tǒng)的209級(jí)潛艇

堿性氫氧燃料電池在205級(jí)潛艇上初步試驗(yàn)成功，鼓舞了人們?cè)诔Ｒ?guī)潛艇上加裝AIP系統(tǒng)的信心，于是決定在出口的209級(jí)潛艇中加裝氫氧燃料電池分段進(jìn)行海下試驗(yàn)。

采用的燃料電池是西門子公司于1995年完成的35～70 kW質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池（PEMFC）單元。其電池本體是由72個(gè)單電池組成的，它和輔助裝備以及部分電氣設(shè)備，都裝在耐壓容器中。在容器中充滿3.5 Pa壓力的氮?dú)猓苑乐闺姵叵到y(tǒng)泄漏物直接作用。

在209級(jí)潛艇中加裝的氫氧燃料電池分段長(zhǎng)度為6.5 m，直徑與耐壓殼相同，容積為2000 m3。燃料電池組是由西門子公司生產(chǎn)的6個(gè)PEMFC單元組成，總功率為210 kW。6個(gè)單元分上下兩排安放，各單元間相互連結(jié)構(gòu)成一體。電池組及其輔助系統(tǒng)放在甲板之上；2個(gè)液氧儲(chǔ)槽可儲(chǔ)14噸液氧，24個(gè)儲(chǔ)氫鋼瓶可儲(chǔ)存近1.7噸的氫，它們均放在甲板以下。

加裝氫氧燃料電池分段后的209級(jí)潛艇，總長(zhǎng)度由原來的54.7 m增加到61.2 m，水面排水量由原來的1200 m3增加到1420 m3，燃油由原來的100噸減少到98噸，柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池?cái)?shù)均保持不變。該艇單獨(dú)用燃料電池供電航行，最高時(shí)速可達(dá)6.5節(jié)。用4.5節(jié)常規(guī)速度航行時(shí)，燃料電池AIP系統(tǒng)除了可以提供11 kW的生活和輔機(jī)用電外，潛艇可一次潛航278 h，航程1250海里。原來用蓄電池供電只能潛航390海里，用燃料電池 AIP系統(tǒng)和蓄電池共同供電，則水下可一次潛航1640海里，是未加裝 AIP系統(tǒng)的4倍以上。此外，潛艇的暴露率也由原來的9%下降到6%。

2.2 加裝氫氧燃料電池 AIP系統(tǒng)的212級(jí)潛艇

212級(jí)潛艇中燃料電池系統(tǒng)包括：燃料電池；氫源（性能與209級(jí)潛艇相同）；氧源是2個(gè)液氧儲(chǔ)槽，它的直徑與209級(jí)潛艇所用的相同，但長(zhǎng)度有所增加。

加裝氫氧燃料電池AIP系統(tǒng)分段的212級(jí)潛艇排水量為1350噸，長(zhǎng)度53.5 m，寬度為6.8 m。在海下試航試驗(yàn)過程中，用燃料電池單獨(dú)為推進(jìn)電機(jī)供電，潛艇航速可達(dá)8節(jié)，航程約900海里；用燃料電池與蓄電池并聯(lián)為推進(jìn)電機(jī)供電，潛艇航速可達(dá)8節(jié)。

212A級(jí)潛艇是由德國(guó)霍瓦茲公司和北海船廠合作開發(fā)的，它是世界最早采用加裝氫氧燃料電池AIP系統(tǒng)的潛艇。每艘212A型艇都有9組質(zhì)子交換膜燃料電池，每組的輸出功率為30～40 kW，這樣9組共有約300 kW，這就可以用AIP航行約14天，和原212型設(shè)計(jì)的只有6組燃料電池相比，功率增加了大約100 kW。

2.3 加裝氫氧燃料電池AIP系統(tǒng)的214級(jí)潛艇

214級(jí)潛艇推進(jìn)裝置的核心是燃料電池，該電池以212級(jí)上采用的燃料電池為基礎(chǔ)，214級(jí)潛艇將燃料電池系統(tǒng)完全集成到潛艇平臺(tái)上。AIP系統(tǒng)的性能增強(qiáng)，使用的二套西門子PEM燃料電池模塊，每套模塊產(chǎn)生120 kW功率，安裝兩套總功率為240 kW，給潛艇提供長(zhǎng)達(dá)二個(gè)星期的水面下持久力，同時(shí)降低了每千瓦功率費(fèi)用。

3 德國(guó)燃料電池成功應(yīng)用的分析

燃料電池AIP系統(tǒng)在德國(guó)潛艇中得到實(shí)際應(yīng)用，并且得到許多國(guó)家的認(rèn)可和訂購(gòu)，可以認(rèn)為這是至今燃料電池最成功的實(shí)用范例。

（1）燃料電池比能量高于鉛蓄電池，但比功率卻只有鉛蓄電池的一半（約100 W/kg）。這就決定了燃料電池和鉛蓄電池組合而成的混合動(dòng)力系統(tǒng)具有更大的優(yōu)越性。為了使水下一次性續(xù)航力提高4倍，若單獨(dú)用蓄電池，則蓄電池的數(shù)量必須擴(kuò)大4倍，顯然這是潛艇總體不允許的。使用燃料電池則只要加一節(jié)艙段就可，大大節(jié)約了潛艇總體的質(zhì)量和空間。如果沒有鉛蓄電池，那么潛艇要求高航速時(shí)，燃料電池就顯得力不從心了。

（2）燃料電池工作產(chǎn)物是水，必須處理和排出艇外的廢物這不但節(jié)省了廢物處理系統(tǒng)，而且還可以使?jié)撏г谡麄€(gè)潛航期間總重保持不變，不會(huì)影響潛艇的動(dòng)態(tài)性能。其它3種AIP系統(tǒng)使用的是熱機(jī)，其工作產(chǎn)物是CO2或其它廢物，必須有處理裝置，這就增加了潛艇總體的質(zhì)量和復(fù)雜性。

（3）燃料電池壽命目前還不夠長(zhǎng)，平均只有2200 h，這是當(dāng)今燃料電池的技術(shù)水平限制了它單獨(dú)用作動(dòng)力的瓶頸之一，也可以看成是當(dāng)今燃料電池的不足之處。若像上世紀(jì)50～60年代那樣把燃料電池作為潛艇的唯一動(dòng)力源，那么這樣短的使用壽命無法用于潛艇。但若用于延長(zhǎng)水下一次潛航行程，情況就不同了。209級(jí)潛艇一次潛航278 h，那么現(xiàn)有的燃料電池可以滿足8次以上水下一次潛航。只有在特殊情況下才需要長(zhǎng)時(shí)間潛航，平時(shí)是不需要的。

（4）性價(jià)比高。雖然燃料電池成本高，但是潛艇燃料電池AIP系統(tǒng)是在必要的關(guān)鍵性時(shí)刻用的，成本與戰(zhàn)術(shù)增益之間就有可能達(dá)到平衡。從德國(guó)的試驗(yàn)情況來看，燃料電池AIP系統(tǒng)的貯能約為潛艇總貯能的十分之一，也就是說，潛艇使用燃料電池的機(jī)會(huì)只有十分之一，因而雖然燃料電池成本高，但從性價(jià)比來看卻是合算的。

（5）安全性和可靠性。德國(guó)燃料電池AIP系統(tǒng)使用貯氫材料吸收并放出純氫，所用的氧也來源于液氧槽放出的純氧，不會(huì)出現(xiàn)燃料電池中毒問題，所以安全性和可靠性均較高。

4 展望

未來的海戰(zhàn)給電動(dòng)魚雷和潛艇的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)提出了更高的要求，當(dāng)今世界各國(guó)都在探索尋求高能電池或熱動(dòng)力源。各國(guó)對(duì)潛艇用鉛酸電池以外的化學(xué)電源和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)一直在緊張進(jìn)行，如鋰電池和燃料電池的使用，西門子燃料電池在德國(guó)AIP系統(tǒng)潛艇上的應(yīng)用較為成熟。加快水下電源的研發(fā)，于海防及海洋探測(cè)意義重大，需要科技工作者的不懈努力[1-2]。

[1]呂鳴祥.化學(xué)電源[M].天津：天津大學(xué)出版社，1992：258-261

[2]李國(guó)欣.新型化學(xué)電源技術(shù)概論[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006.